INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Instrumentos Analíticos de Medición

Practica 1

HUMEDAD EN SÓLIDOS BASADO EN EL MÉTODO DE

CONDUCTIVIDAD

Profra. Miriam Gómez Álvarez

Gaspar Hernández José Alberto

Martínez Islas Olga Itzel

PRACTICA 1 HUMEDAD EN SÓLIDOS BASADO EN EL MÉTODO DE CONDUCTIVIDAD

OBJETIVOS GENERALES DE LA PRÁCTICA Al término del curso del laboratorio se espera del alumno que:

Comprenda los conceptos básicos del principio de medición del analizador de %Humedad en sólidos

basado en el método de conductividad.

Sea capaz de identificar las partes principales sensor de %H en sólidos.

Realice el diseño del circuito de medición del instrumento.

Efectúe las mediciones con el analizador en diversas muestras con el instrumento de medición

desarrollado.

INTRODUCCION

Definiciones El contenido de humedad se describe como la cantidad de agua existente en las sustancias sólidas por

unidad de peso o volumen del sólido seco o húmedo.

Existe una gran cantidad de aplicaciones en distintas áreas para la determinación de % de Humedad en

materiales sólidos. A continuación se mencionan algunas aplicaciones:

1. Industria Textil, Papelera y de Pieles La humedad altera la estructura de ciertas fibras y tejidos, por lo que se afecta la calidad del producto

elaborado. Por ello es muy común apreciar la aplicación de sistemas de regulación de humedad en

industrias relacionadas con estos productos.

2. Industria Maderera Las maderas sufren deformaciones ante cambios de humedad, y pueden llegar a desarrollar hongos,

agrietamiento e incluso cambios de coloración.

3. Industria Alimenticia La mayoría de los alimentos contienen o son preparados con grandes cantidades de agua, la regulación

de este líquido es vital para lograr un producto óptimo y estandarizado. Las aplicaciones más frecuentes

son:

- Deshidratación (frutas, pasas, café, sopas, etc).

- Panadería.

- Refrigeración de frutas y carnes.

- Conservación de vinos finos.

5. Industria Farmacológica Los medicamentos son elaborados bajo estrictas medidas de calidad, en ello la humedad juega un rol

importante, dado a que se emplea el uso de agua en la fabricación de muchos remedios, además de

existir algunos procedimientos en que la presencia de agua no es deseada.

6. Agricultura Si el suelo tiene una buena capacidad de retención del agua, se esperaría que pudiera sustentar una

comunidad de plantas considerable. Sin embargo, en suelos saturados, los espacios de aire del suelo se

llenan de agua, lo que puede llevar a condiciones anaeróbicas.

Existen diversos métodos para la determinación de humedad de sólidos entre los más comunes están:

a) Método de Secado de estufa

b) Método conductivo

c) Método capacitivo

d) Método de Infrarrojo

e) Método radioactivo

Para esta práctica se considera el desarrollo de un instrumento basado en el método conductivo, el cual

consistente en hacer pasar una corriente a través de unos electrodos en contacto con la muestra (Creus

Solé, 1993). Los electrólitos (Sales, ácidos y bases) disueltos en el agua forman un puente conductivo

de una cierta resistividad que aumenta o disminuye de acuerdo con el grado de humedad presente en el

sólido. Esto produce una caída de tensión entre los bornes de los electrodos que puede, finalmente, ser

transmitida a un controlador (ejemplo un PLC) para controlar el grado de apertura de algún elemento

final de control (ejemplo, válvula)

Se basa en la medida de la conductividad (resistivo) de una muestra del producto al pasar una corriente

a través de los electrodos en contacto con el mismo. Estos electrodos forman parte de un puente de

Wheatstone con la indicación, el registro o el control de la humedad.

Los electrodos son introducidos en el material, la resistencia eléctrica o conductancia entre los

electrodos es medida y convertida a lecturas de contenido de humedad.

La resistencia al flujo de corriente eléctrica de las muestras varía grandemente con el contenido de

humedad. Ésta decrece considerablemente cuando el contenido de humedad incrementa.

MATERIALES

a) Reactivos 1 paquete pequeño de Leche en polvo (cerrado)

500 mL de Agua potable o destilada

b) Material de construcción: 1 Protoboard

1 Circuito integrado LM555

Resistencias 10 kOhms, 220 Ohms y 6.8kOhms

1 Capacitor cerámico 0.01uF

1 Capacitor electrolítico 10 uF/16 V

1 Filtro de 16 V

1 Led

1 Batería 9 V

1 Conector para batería de 9 V

Alambre de cobre 2mm de diámetro

c) Otros 1 jeringa desechable de 5 mL

5 Vasos desechables de plástico (transparente)

1 cuchara

1 Multímetro

PROCEDIMIENTO

Para el desarrollo del sensor y de acuerdo con los aspectos anteriores a tener en cuenta, se deben de

hallar los valores de resistencia de la leche en polvo con el cambio de contenido de humedad. Para tales

fines, se debe emplear una fuente de tensión conocida y un voltímetro para determinar la caída de

tensión en los electrodos, estando la leche en polvo saturada de agua o con 100% de humedad.

1. Prepare muestras con diferente nivel de humedad. Tome una porción de la leche en polvo (10g) y

calcule la cantidad de agua y adiciónela con ayuda de la jeringa a la porción de leche. Etiquete cada

vaso.

Tabla 1. %H de Muestras de leche (Conductividad)

Muestra %H mL Agua

adicionada

Tensión (mV)

1 5 0 50

2 50 5 286

3 75 10 452

3. Las terminales de cobre son los electrodos, los cuales se sumergen en la muestra con 7mm de

distancia entre sí y con una longitud de exposición a la humedad de 15mm.

4. Mida la caída de tensión del producto sin humedad (muestra 1) y la muestra saturada (muestra 5).

5. Calcule las resistencias correspondientes. Con el valor obtenido, calcule el valor de resistencia de la

leche en polvo para la condición seca y 100% saturada.

Leche en polvo con 75% humedad R=________ Ohm

Leche en polvo con 5% humedad R=________ Ohm

Los valores de resistencia obtenidos fijan una referencia para acondicionar la señal de salida del sensor

y establecer los valores máximos y mínimos que el transmisor obtenga para mandar la señal al PLC.

6. De manera análoga proceda para medir las tensiones para las muestras cuyos porcentajes de

humedad son inferiores, con saltos de 25%. Llene la tabla correspondiente.

7. Elabore la curva para verificar la linealidad del equipo, es decir, el comportamiento de la respuesta

(conductividad) en función del contenido de humedad de la muestra

DESARROLLO

1. Los alumnos deberán investigar las hojas de datos técnicos de cada uno de los electrodos revisados

en la práctica.

2. Cada alumno deberá elaborar una bitácora, en la cual, además de anotar todas las observaciones de la

práctica en cuestión, realizará las siguientes actividades:

a) Entregar la tabla con los resultados y las observaciones del equipo. Calcule los %H en función de los

mV que midió el sensor en cada una de las muestras de la tabla 1.

b) Elaborar un dibujo de algún sensor, anotando los componentes identificados, mediante un software

de diseño.

c) Obtenga la curva de del instrumento correspondiente.

d) Investigue las aplicaciones del monitoreo y control de %Humedad en suelos.

e) Redactar las conclusiones de la práctica

A) CALCULO DE ml DE AGUA

Balance general

𝐴 + 𝐶 = 𝐵 Balance de solidos

0.05𝐴 + 𝐶 = 0.5𝐵 0.05(10) + 𝐶 = 0.5𝐵….(1)

0.5 + 𝐶 = 0.5𝐵

10 + 𝐶 = 𝐵….(2) 0.5 + 𝐶 = 0.5(10 + 𝐶)

𝐶 =(0.5 − 5)

0.5= 𝟗

𝐵 = 10 + 𝐶 = 19 Balance general

𝐴 + 𝐶 = 𝐵 Blance de solidos

0.05𝐴 + 𝐶 = 0.75𝐵 0.05(10) + 𝐶 = 0.75𝐵….(1)

0.5 + 𝐶 = 0.5𝐵 10 + 𝐶 = 𝐵….(2) 7.5 + 𝐶 = 0.75(10 + 𝐶)

𝐶 =(7.5−5)

0.25= 28

𝐵 = 10 + 𝐶 = 38

Muestra %H mL Agua adicionada Tensión

(mV)

Corriente(mA) Resistencia

(ohm)

1 5 0 50 0 0

3 50 19 280 5 56

4 75 38 450 5 90

Calculo de resistencia:

𝑉 = 𝐼𝑅

Para 50% 𝑅 =𝑉

𝐼=

280

5 = 56

Para 75% 𝑅 =𝑉

𝐼=

450

5 = 90

Se puede obtener con ayuda de una interpolación (se hará de cada 5%H)

%H Voltaje mV

5 50

X Y

75 450

Entonces para cada valor de X que se quiera encontrar, tendremos una Y que es voltaje en Mv.

Y=(𝑋−𝑋1

𝑋2−𝑋1) (𝑌2 − 𝑌1) + 𝑌1

%H INTERPOLACION VOLTAJE Mv

10% Y=(10−5

75−5) (450 − 50) + 50

78.5714

20% Y=(20−5

75−5) (450 − 50) + 50

135.71

30% Y=(30−5

75−5) (450 − 50) + 50

192.85

40% Y=(40−5

75−5) (450 − 50) + 50

250

50% Y=(50−5

75−5) (450 − 50) + 50

307.14

60% Y=(60−5

75−5) (450 − 50) + 50

364.28

70% Y=(70−5

75−5) (450 − 50) + 50

421.42

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

5% 10% 15% 20% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70%

HUMEDAD VS VOLTAJE

% HUMEDAD

B) DIBUJO DEL SENSOR

C) CURVA CORRESPONDIENTE

D) HUMEDAD EN SUELOS

El contenido de humedad de un suelo es la relación del cociente del peso de las partículas sólidas y el

peso del agua que guarda, esto se expresa en términos de porcentaje. En Japón se han registrado

contenidos de humedad de más de mil por ciento, esto indica grandes problemas de suelo debido a que

el peso del agua supera quince veces el peso del material sólido.

El proceso de la obtención del contenido de humedad de una muestra se hace en laboratorios, el equipo

de trabajo consiste en un horno donde la temperatura pueda ser controlable. Una vez tomada la muestra

0

100

200

300

400

500

humedad 5% humedad 50% humedad 75%

TENSION vs HUMEDAD

tension vs humedad

del sólido en estado natural se introduce al horno. Ahí se calienta el espécimen a una temperatura de

más de 100 grados Celsius, para producir la evaporación del agua y su escape a través de ventanillas.

Nuevo Sensor de Humedad Rainbird.

Los sensores de humedad son dispositivos que se colocan en el jardín para medir la humedad del

terreno y suspender el riego hasta que el nivel de humedad de la tierra sea lo suficientemente bajo como

para requerir más agua.

Existen dos tipos: tensiómetros, que son un tubo hermético lleno de agua con una punta porosa de

cerámica; y los bloques de yeso.

Ambos miden la resistencia eléctrica que aumenta a medida que se seca el terreno.

El Controlador Smart Y de Rainbird, sensa las condiciones de humedad del terreno cada 10 minutos y

envía la señal a la interfase del controlador.

Si las condiciones de humedad sobrepasan las indicadas en dicha interface, ésta se encargará de

informar al controlador para que suspenda el siguiente ciclo de riego, y ahorrar así agua y energía

eléctrica.

De acuerdo al fabricante, estos sensores pueden ahorrar hasta 40% de agua.

Estos sensores, combinados con sensores de lluvia y sensores de helada, evitan la sobre irrigación de

los terrenos, y previene averías en sistemas forzados a trabajar en situaciones adversas, cuando no

cuentan con dichos dispositivos.

Medidor y Sensores de Humedad de Suelo Watemark.

Indicados para la medición de la humedad de la tierra y el control de la frecuencia y dosis de los riegos.

Cómo utilizarlo: Basta con enterrar el sensor en la tierra a la profundidad adecuada y cuando desee

obtener una lectura de la humedad en ese lugar, tan solo debe conectar los extremos del medidor y el

sensor.

Los sensores de humedad de la tierra de cultivo Watermark® pueden utilizarse en todos los cultivos y

con todos los métodos de riego.

Se adaptan a casi todos los suelos que normalmente se cultivan, hasta los más arcillosos.

Pueden reflejar tensiones comprendidas entre 10 y 200 cb.

No requieren mantenimiento y pueden dejarse en el suelo durante temporadas enteras ya que tampoco

son sensibles al frío.

Compensan automáticamente por variaciones de salinidad del suelo que, de otro modo falsificarían las

lecturas.

No precisan de calibración ni ajuste. El medidor electrónico se ajusta fácilmente a la temperatura del

suelo.

Construcción robusta en acero inoxidable y plásticos especiales para una larga vida sin problemas.

Especialmente indicado en los cultivos de larga duración, plantaciones de árboles frutales y similares.

Le recomendamos que adquiera al menos 2 sensores con el medidor de humedad.

El SENSOR de humedad del suelo Watermark ®

Está formado por dos electrodos concéntricos empotrados en un conglomerado especial sujetado por

una membrana sintética y encapsulado en una funda de acero inoxidable.

Incorpora un disco amortiguador para reducir la influencia de la salinidad en las lecturas.

Correctamente instalado responde rápidamente a los cambios de humedad del suelo.

El sensor se suministra con 150 cms. de cable.

El MEDIDOR electrónico Watermark ®

Diseñado para un fácil manejo, se ajusta a la temperatura del suelo para mayor exactitud en las lecturas.

La conexión al sensor se realiza mediante los cables de éste con las pinzas de cocodrilo del medidor.

Percibe en un instante la resistencia entre los dos electrodos y traduce dicha lectura a la tensión de

extracción de humedad del suelo expresada en centíbares. Un solo medidor sirve para la lectura de

cualquier número de sensores ya que puede transportarse en el bolsillo. Lectura digital entre 0 y 200 cb.

Interpretación de las lecturas de humedad

Según la textura del suelo las lecturas corresponden aproximadamente a:

0 - 10 centibares: Suelo saturado.

10 - 30 centibares: Suelo con suficiente humedad. Excepto los suelos de arena gruesa que

empiezan a secarse.

30 - 60 centibares: Margen normal para iniciar el riego excepto en los suelos muy arcillosos.

60 - 80 centibares: Margen normal para iniciar el riego en los suelos muy arcillosos.

80 + centibares: El suelo se está secando peligrosamente.

e) Conclusiones

En esta practica pudimos apreciar el principio de un sensor de humedad, utilizando diferentes muestras

de un solo material con diferentes cantidades de agua agregada.

También aprendimos el uso principo y funcionamiento de un sensor de humedad.

REFERENCIAS

Millman, Jacob; Grabel, Arvin (1993), Microelectrónica. Ed. Hispano Europea; 2ª edición. Barcelona.

Creus Solé, Antonio (1993), Instrumentación Industrial. Ed. Marcombo, 5ªedición; Barcelona.